新型大跨度雙拱閘門技術研究與應用

許志剛，杜培文，程國棟，李鵬飛，房金賢

(1.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013；2.山東水總機電工程有限公司，山東 濟南 250013)

閘門是水工建筑物的重要組成部分，是蓄水、調流、控泄的關鍵設備。隨著我國水利水電建設事業的不斷發展，各種水工建筑物不斷興建，采用閘門的跨度越來越大，傳統閘門型式已逐漸無法滿足要求。選擇合理的閘門型式是大型水閘工程首要考慮的因素，并對其技術經濟指標產生重要影響。本文以威海南海新區香水河擋潮閘工程為例對新型大跨度雙拱閘門技術進行分析研究。

1 工程概況

威海南海新區香水河擋潮閘工程位于威海市南海新區香水河入海口處，擋潮閘建成后，可大幅提高當地防風暴潮能力，對保障區域供水安全、消除風暴潮侵襲、提升區域生態環境、促進當地經濟發展和社會穩定具有重要意義。擋潮閘最大過閘流量4691m3/s，工程等別為Ⅱ等，工程規模為大(2)型，主要建筑物級別為2級，閘室總凈寬364.0m。閘底高程-1.0m，墩頂高程6.0m。工作閘門共3個最不利運行工況：①正向擋臨海側最高潮水位2.97m，反向擋香水河側最低蓄水位-1.0m；②反向擋香水河側最高蓄水位2.68m，正向擋臨海側多年平均最低低潮位-2.57m；③在工況②時，閘門開啟泄洪[1]。

2 工作閘門型式確定

擋潮閘工程位于威海市南海新區生態濕地保護區內，工程周邊規劃建設以香水河為中心的濱河景觀帶和濱海休閑養生區，要求工程應具有良好的景觀效果。采用大跨度閘門，由于閘墩數量較少，可有效提高河道過流面積，減少對河流生態破壞，而且易與周邊環境相協調，景觀效果好。

2.1 大跨度閘門不同型式承載結構分析

閘門承載結構承受閘門的全部荷載并將其傳遞到土建結構，是確定閘門型式、土建結構布置方案首要考慮的因素。

2.1.1 實腹梁格結構

目前普遍使用的傳統形式閘門主要有平面閘門、弧形閘門等，其承載結構均為實腹梁格結構，其中大多為以承受彎曲應力為主的實腹主橫梁式，該結構受閘門跨度影響較大。當設計水頭相同時，作用在閘門上的總荷載隨跨度呈線性增大[2]。造成大跨度閘門因主橫梁斷面尺寸太大，使其閘門結構布置困難。而且由于閘門面板只有部分參與主橫梁的作用，同時主橫梁在跨中的腹板和支承處的前、后翼板均沒有完全發揮材料的作用，使閘門重量和所需啟閉設備容量都較大，相應工程投資也較高。

2.1.2 拱形結構

拱形結構在建筑、橋梁等工程領域已有了廣泛的應用，由于其合理的結構體系，尤其在大跨度結構和空間結構中應用更為廣泛。拱形結構通過拱曲線將外荷載形成的彎矩轉化為構件的軸向力，能充分發揮材料性能。由于拱的力學特性，其閘門承載結構主要以承受軸向力為主，且沿跨度受力均勻，在大跨度情況下，不僅材料經濟，而且造型美觀，閘門結構布置也簡單。

拱形承載結構是一種合理的大跨度結構體系，大跨度閘門采用該結構能夠獲得良好的技術經濟效果。

2.2 大跨度閘門不同型式拱形結構分析

近年來隨著國民經濟的快速發展，建設的大型水閘工程越來越多，不同形式拱形結構在大跨度閘門中也得到了成功應用。

2.2.1 圓拱形結構

該結構主要依據受徑向均布荷載的合理拱軸線是圓曲線的原理。廣州市荔灣區花地河北閘工程采用單跨寬度達40.0m的上翻式拱形鋼閘門，采用液壓啟閉機啟閉[3]；南京市三汊河口閘工程采用單孔凈寬40.0m的雙孔護鏡閘門，采用盤香式啟閉機啟閉[4]。以上閘門門體均采用由面板、與面板連接的加肋梁組成的圓拱形薄壁結構，圓拱兩端通過可繞水平軸轉動的支鉸支承在兩側閘墩上。該閘門型式由面板、加肋梁共同承受水壓荷載引起的軸向力，能夠充分發揮材料性能，并且造型美觀、閘門重量也較小。但閘門結構屬大跨度低剛度結構，系統固有頻率低，在水動力荷載作用下容易誘發共振[3]，需采取抗振措施保證閘門運行安全。

2.2.2 拋物線拱形結構

該結構主要依據受沿弦均布荷載的合理拱軸線是拋物線的原理。浙江紹興曹娥江大閘28孔，單孔寬度20.0m，工作閘門采用魚腹式雙拱管桁架空間結構，液壓啟閉機直升式啟閉。閘門門體由平面面板、與面板連接的弦桿、雙拱間的腹桿和拋物線形正、反向雙拱組成，面板通過弦桿與正拱連接。該閘門型式經觀測研究證實，具有承載剛度大和抗涌潮沖擊的良好特性[5]。弦桿、正、反向雙拱等閘門主要受力構件以承受軸向力為主，但平面面板仍需直接承受全部水壓荷載引起的彎曲應力，沒有完全發揮材料性能。

2.2.3 新型大跨度雙拱結構

根據荷載和拱軸線的形式，該結構仍屬于圓拱形結構。閘門門體結構包括圓拱形的面板、與面板內弧側連接的多根由上至下依次間隔設置的上弦圓拱梁、多根由上至下依次間隔設置的下弦圓拱梁，上弦拱梁和下弦拱梁的拱形方向相反，在平面圖上形成橄欖狀的雙拱結構，雙拱間通過腹桿連接[6]。雙拱兩端分別與箱型拱腳結構連接，拱腳結構支承在兩側閘墩上；閘門采用液壓啟閉機直升式啟閉。該結構閘門全部受力構件以承受軸向力為主，能夠充分發揮材料性能，并且可以大大提高閘門整體的剛度。

通過以上分析，新型大跨度雙拱結構汲取了圓拱形結構和拋物線拱形結構的優點，不僅閘門整體剛度大，而且能夠充分發揮材料性能，大大減輕閘門的自重，節省工程投資。

2.3 閘門型式方案比選

根據工程特點選取露頂式平面鋼閘門、新型大跨度雙拱閘門兩種閘門型式方案進行比選確定。根據閘室總寬度，露頂式平面鋼閘門方案采用閘門跨度14.0m，新型大跨度雙拱閘門方案采用閘門跨度26.0m。

2.3.1 露頂式平面鋼閘門方案

擋潮閘共26孔，單孔凈寬14.0m，閘室總寬度421.2m，閘室順水流向長20.0m，閘墩頂設排架和機架橋，機架橋頂設啟閉機房，兩側設橋頭堡。工作閘門采用26扇14.0m×4.5m-3.97m/1.6m(閘門跨度×閘門高度-正向擋水水頭/反向擋水水頭)露頂式平面鋼閘門，啟閉設備采用26臺2×400kN雙吊點固定卷揚式平面閘門啟閉機。

2.3.2 新型大跨度雙拱閘門方案

擋潮閘共14孔，單孔凈寬26.0m，閘室總寬度399.5m，閘室順水流向長26.0m，右岸設橋頭堡。工作閘門采用14扇26.0m×4.5m-3.97m/1.6m雙拱鋼閘門，啟閉設備采用14臺2×800kN雙吊點露頂式弧形閘門液壓啟閉機。每臺液壓啟閉機的兩根油缸分別設置在兩側閘墩頂的排架處，每兩臺啟閉機共用1套液壓站集控設施進行運行控制，集控設施布置在閘墩頂的機房內。

2.3.3 方案選擇

針對各方案不同的閘門型式進行技術及經濟各方面分析，以確定最優方案。

(1)閘室過流能力

兩個方案的閘室總凈寬相同，過流能力相差不大。但方案二較方案一閘墩數量大大減少，在閘室總寬度相同的條件下，方案二的過流能力明顯較大。

(2)制造安裝

方案一閘門跨度小，門體尺寸較小、結構簡單，可整體制造安裝。方案二閘門跨度大，考慮到道路運輸和現場安裝條件，需采用廠內分節制造，工程現場焊接組裝的方式。

(3)景觀效果

方案一閘門重量較輕，所需啟閉力也較小，機架橋、閘墩設計強度要求較低，但閘墩及排架較多，機架橋和機房貫穿整個閘室，景觀效果較差。方案二閘墩數量少，啟閉設備和機房全部布置在閘墩頂，并且閘門結構新穎，易于與周邊環境相協調，具有良好的景觀效果。

(4)運行管理

方案一選用的固定卷揚式平面閘門啟閉機零部件結構簡單，運行操作、維修方便，維護項目也較少，管理及維護費用低。方案二選用的露頂式弧形閘門液壓啟閉機結構緊湊，精密零部件較多，維修養護較復雜，管理及維護費用較高。

(5)經濟性能

方案一工程總投資27995.0萬元，其中閘門、啟閉設備投資3886.0萬元。方案二工程總投資27683.0萬元，其中閘門、啟閉設備投資4970.0萬元。方案二雖閘門、啟閉設備投資較高，但其工程總投資較低，具有較好的經濟優勢。

經過上述綜合比較，方案二工程總投資較低，具有良好的景觀效果，因此威海南海新區香水河擋潮閘工程工作閘門采用新型大跨度雙拱閘門型式。

3 閘門結構設計

新型大跨度雙拱閘門的水壓荷載全部由門體結構承受，通過拱腳結構將荷載傳遞到閘墩。以威海南海新區香水河擋潮閘工程工作閘門為例，根據荷載分配和傳遞方式，將閘門整體結構按門體結構、拱腳結構分別進行闡述。閘門整體結構布置見圖1。

圖1 閘門整體結構布置圖

3.1 門體結構

門體結構主要包括面板、上、下弦拱梁和兩拱間的腹桿。沿圓拱形面板高度方向間隔設置5根上弦圓拱梁，拱梁間沿跨度方向間隔設置9道豎直次梁，面板與拱梁、次梁焊接連接。下弦圓拱梁共2根，與上弦圓拱梁拱形方向相反，拱梁間同樣設置9道豎直次梁。每根下弦圓拱梁在豎直次梁處通過水平、斜向腹桿分別與3根上弦圓拱梁連接。拱梁、次梁和腹桿均采用不同型號的H型鋼。面板和上、下弦拱梁的兩端均分別與閘門左、右兩側的箱型拱腳結構連接。

3.2 拱腳結構

拱腳結構是由前翼緣板、后翼緣板、設置在前、后翼緣板之間的內側腹板和外側腹板、設置在內側腹板和外側腹板間的中間隔板構成的日字形箱型結構，拱腳結構與閘門高度相同；該拱腳結構布置簡單，受力條件好，抗腐蝕能力高，且能夠節省工程投資[7]。

拱腳結構前翼緣板、后翼緣板、中間隔板垂直于水流方向設置，內側腹板、外側腹板平行于水流方向設置。面板、上、下弦拱梁的端部分別與拱腳結構前翼緣板、后翼緣板、內側腹板焊接連接，中間隔板的位置和數量與上弦拱梁對應設置。拱腳結構的前翼緣板處設反向支承滑塊、側止水，后翼緣板處設正向支承滑塊、側向滑塊。

4 閘門空間結構體系有限元分析

有限元分析選用ANSYS程序進行建模和計算。閘門門體、拱腳結構的主要材料為Q345，根據閘門的3個運行工況進行分析計算。

4.1 分析模型

閘門有限元模型選取一個由殼單元、梁單元組成的有限元模型，將閘門門體、拱腳結構構件都用中面處的八節點二次殼單元模擬，用偏心殼單元模擬上弦拱梁與面板位置之間的差別。有限元模型共66467個結點，22271個殼單元，4個梁單元。閘門坐標系原點位于閘門底部中心，X軸為閘門跨度方向，Y軸為水流方向，Z軸為閘門高度方向。閘門中心線處約束X向位移；拱腳結構支承滑塊處約束Y向位移，擋海水時，正向支承滑塊作為支承，擋河水時，反向支承滑塊作為支承；閘門面板、拱腳結構底部約束Z向位移。閘門模型有限元網格圖見圖2。

圖2 閘門模型有限元網格圖

4.2 計算結果分析

(1)有限元計算結果

閘門主要承受水壓荷載和自重。水壓荷載為面梯度荷載，不同位置的面荷載大小是由基準位置的面荷載大小、面荷載梯度和梯度方向決定的；閘門自重按慣性荷載設置。閘門有限元計算結果見表1。

表1 閘門有限元計算結果表

(2)計算結果分析

閘門結構位移分析：工況①閘門位移最大，最大位移位于閘門底部跨中處，方向為海水漲潮水流方向；工況②、③最大位移與工況①位置基本相同，位移方向相反。各工況閘門位移均呈現兩側向跨中逐漸增大的趨勢，最大位移與跨度的比值最大僅為1/2096，顯示出閘門結構具有較大的剛度，有效的減小了閘門位移。

閘門結構受力分析：閘門受力較大的構件為上、下弦拱梁和拱腳。受力最大的上、下弦拱梁均位于閘門底部，沿跨度方向應力變化幅度不大，受力均勻，只在接近拱腳處應力顯著增大并在與拱腳連接處有應力集中。拱腳整體應力都在70.0MPa以下，中間隔板與前、后翼緣板連接處有應力集中。腹桿應力都不大，整體應力都在20.0MPa以下，在節點處有應力集中。閘門各構件最大應力均小于材料Q345容許應力[8]。

5 結論

(1)將新型大跨度雙拱閘門與不同拱形結構閘門進行了比較分析，并結合工程實例將其與傳統形式閘門進行了技術經濟比選，確定該閘門型式具有剛度大、材料利用率高、景觀效果好等優點。

(2)結合工程實例對新型大跨度雙拱閘門進行了空間結構體系有限元分析，根據計算結果可知各運行工況下閘門結構的強度、剛度設計安全。

(3)水工鋼閘門大多都存在使閘門產生振動的因素，大孔口閘門存在振動時，則可能產生有害振動[9]。共振效應是閘門結構疲勞損傷和失穩的重要原因，提高閘門結構剛度可達到提高低階自振頻率的目的，避免誘發閘門共振[10]。新型大跨度雙拱閘門結構具有較大的剛度，閘門在擋水運行過程中，未檢測到閘門產生有害振動。